Pavimentos porosos
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PavimentosPavimentos porososporosos: : experienciasexperiencias de de investigacióninvestigación
en la PUJen la PUJPorAndrés Torres (IC, MSc, PhD)Profesor AsociadoDirector Grupo HidrocienciasDirector Maestría en HidrosistemasFacultad de IngenieríaPontificia Universidad Javeriana
- eficiencia hidráulica
- eficiencia de retención de contaminantes
- estudio de envejecimiento
- modelación del comportamiento
- aspectos financieros
- síntesis de resultados (guía de diseño)
TA A LA RED DE ALCANTARILLADO
Ruiz y Rojas, 2009
Ruiz y Rojas, 2009
C
Ruiz y Rojas, 2009
PRODUCTOCANTIDAD DENSIDAD CANTIDAD
PORCENTAJES(Kg) (G/cm3) (M3)
CEMENTO 500.00 3.01 0.17 16.59%
AGREGADO DE 1/2" A 3/8" 835.72 2.54 0.33 32.86%
AGREGADO DE 3/8" A #4 568.17 2.54 0.22 22.34%
AGREGADO DE #8 A FONDO 90.35 2.54 0.04 3.55%
AGUA 175.00 1.00 0.18 17.48%
PLÁSTICO 2.35 - - -
RELACIÓN AGUA/CEMENTO 0.35 - - -
TOTAL KG 2351.50 TOTAL M3 1.00 100.00%
REYES – TORRES (2002)
MATERIALSPROPORTIONS
lb/yd³
Cementitious materials 450 to 700
Aggregate 2000 to 2500
Water (by mass) 0.27 to 0.34
Aggregate:cement 4 to 4.5:1
Fine:coarse aggregate 0
CONCRETE ANSWERS (2009)
NATIONAL READY MIXED CONCRETE
ASSOCIATION
Alvarado et al., 2010
Modelo de Simulación de Lluvias sobre Calzadas Porosas
Fuente: Lozano, Niño, 2003
Fuente: Lozano, Niño, 2003
Caudal Vs. Tiempo
y = -0.1137x2 + 1.0891x + 2.6813R2 = 0.787
y = -0.1372x2 + 1.2297x + 3.1785R2 = 0.8077
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
0 2 4 6 8 10 12
Tiempo (min)
Cau
dal
(lts
/min
)
Salida
Lluvia
Polinómica (Salida)
Polinómica (Lluvia)
Fuente: Lozano, Niño, 2003
Volumen Vs. Tiempo
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 2 4 6 8 10 12
Tiempo (m in)
Vo
lum
en
(lts
)
Salida
Lluvia
Fuente: Lozano, Niño, 2003
Intensidad = 120 mm/h
Qe (l/min) Qs (l/min) "C" Reducción
6.1 4.62 0.76
5.62 4.62 0.82
6.25 4.62 0.74
6.55 4.4 0.67
6.4 5 0.78
7.33 5.2 0.71
8.63 5.6 0.65
0.73Promedio "C" reducción
Coeficientes de reducción
Intensidad = 50 mm/h
Qe (l/min) Qs (l/min) "C" Reducción
2.05 1.2 0.59
1.4 0.98 0.7
1.14 0.75 0.66
1.36 1 0.74
1.1 0.79 0.72
1.39 0.96 0.69
0.68Promedio "C" reducción
Fuente: Lozano, Niño, 2003
intensidad pico de 160 mm/h (zona no.2 según IRH-EAAB, 1995):
reservorio en acero inoxidable de 1m X 1m X 10 cm, 49 orificios (diám: 1.3 mm)
MONTAJE EXPERIMENTAL EN LABORATORIO
Torres et al., 2009
Placa de concreto poroso:losa de 1 m X 1 m X 20 cmpendiente: 1 %
MONTAJE EXPERIMENTAL EN LABORATORIO
Torres et al., 2009
Mezcla utilizada:base (Niño Rivera y Villamil, 2003)
MONTAJE EXPERIMENTAL EN LABORATORIO
Torres et al., 2009
MONTAJE EXPERIMENTAL EN LABORATORIO
A la salida:T, pH, ST y DQO (x2)
Torres et al., 2009
ENTRADA
SALIDA
Torres et al., 2009
1 2 3 40
50
100
150
200
250
300
350
400
ensayo no.
T (
NT
U)
in
out
1 2 3 40
102030405060708090
100110120130
ensayo no.
Efic
ienc
ia (
%)
∆T: 15 % - 45 %Torres et al., 2009
1 2 3 40
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
ensayo no.
pH (
und)
in
out
Torres et al., 2009
1 2 3 40
100
200
300
400
500
600
700
800
900
ensayo no.
ST
(m
g/L)
in
out
1 2 3 40
102030405060708090
100
ensayo no.
Efic
ienc
ia (
%)
∆ST: 54 % - 78 %Torres et al., 2009
1 2 3 40
25
50
75
100
125
150
175
200
ensayo no.
DQ
O (
mg/
L)
in
out
1 2 3 40
20406080
100120140160180
ensayo no.
Efic
ienc
ia (
%)
∆DQO: 24 % - 66 %Torres et al., 2009
u (eventos 2 y 3):458 % a 394 % para T,29 % a 14 % para pH,37 % a 8 % para ST501 % a 102 % para DQO
u (eventos 1 y 4) :48 % a 30 % para Turbiedad,10 % a 13 % para pH,15 % a 34 % para ST22 % a 28 % para DQO.
1 2 3 40
50
100
150
200
250
300
350
400
ensayo no.T
(N
TU
)
in
out
Torres et al., 2009
diferencias entre entrada y salida son significativas?
prueba t (valores p < 0.05):- T: eventos 1 y 4- pH: todos los eventos- ST: evento 1- DQO: evento 1
remoción de DQO tiende a aumentar a medida que pH entrada aumenta (Beltrán, 2003; Basiri Parsa et al., 2009; Silva et al., 2009): coeficiente de correlación de Spearman rs = 0.8
Torres et al., 2009
Aumento de pH a la salida: normal… el pH agua de lavado del concreto > 12 (Gowda et al., 2008)
1 2 3 40
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
ensayo no.
pH (
und)
in
out
Torres et al., 2009
=> pH > 9.5 a 10 (Moody, 2006; Tucker y D’Abramo, 2008): - limita supervivencia de peces,- inhibe crecimiento de plantas- cambia composición química del suelo
1 2 3 40
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
ensayo no.
pH (
und)
in
out
Torres et al., 2009
- investigación inicial sobre las propiedades filtrantes de las capas de concreto porosas utilizadas como base de pavimentos.
- reducción de contaminación del agua de escorrentía urbana.T: 26 % a 45 % (incertidumbres entre 30 % y 48 %),ST: 78 % (incertidumbres alrededor de 15 %)DQO: 48 % (incertidumbres alrededor de 22 %)
- pH aumenta de 2 a 4 unidades:Entrada: 7 a 9 undSalida: 11 a 12 und=> inconvenientes si se desea verter directamente en el medio
natural
Torres et al., 2009
Pavimento en utilización:cómo es su comportamiento a medida que se utiliza?envejecimiento y colmatación?
Estudios para evaluar:(i) envejecimiento de los pavimentos:
disminución de eficiencias de retenciónposible colmatación de la estructura;
(ii) efectos del mantenimiento sobre la retención de contaminantes y su vida útil
(iii) beneficios económicos: costos iniciales y de operación
Torres et al., 2009
MATERIALES Y MÉTODOS
(i) sitio experimental
(ii) experimentación en campo
(iii) ensayos de laboratorio
Gómez y Rodríguez, 2010
MATERIALES Y MÉTODOS
i. Sitio Experimental:
- toma de muestras agua de escorrentía:
Avenida carrera 7 entre calles 45 y 39
8 sumideros c/40 m Área recolección 1200m2
Dispositivos de recolección (3)
Gómez y Rodríguez, 2010
Sitio Experimental
Gómez y Rodríguez, 2010
MATERIALES Y MÉTODOS
ii. Experimentación en campo (dispositivos de recolección):
- Se acoplan a la boca del sumidero
- Depositan el agua en recipientes plásticos
Gómez y Rodríguez, 2010
MATERIALES Y MÉTODOS
iii. Ensayos de Laboratorio:Necesarios para evaluar el desempeño del pavimento poroso
� Montaje Experimental (modelo)
-Modelo capa de concreto rígido poroso
-Diseño propuesto por Reyes y Torres (2002)
Gómez y Rodríguez, 2010
MATERIALES Y MÉTODOS
� Pruebas Hidráulicas
-Recipientes de 20 L c/2 L-18 litros en 3 segundos-Caudales de salida (L/s)
� Pruebas de calidad de aguas
-Concentración Demanda Química de Oxigeno (DQO)-Concentraciones Sólidos Suspendidos Totales (SST)
Gómez y Rodríguez, 2010
Pruebas en Laboratorio
Gómez y Rodríguez, 2010
TIEMPO DE SIMULACIÓN
Masa depositada en un lapso de tiempo en la zona de estudio
� Precipitación anual de 780,8 mm= 0,7808 m3/m2 (IDEAM)
� Concentración tipo evento lluvioso 452 mg/L de SST
� Masa total anual 353 g/m2 en la zona
Gómez y Rodríguez, 2010
Desarrollo experimental
• Pruebas iniciales:-Modelo pavimento + agua potable
• Pruebas intermedias:-Agua de escorrentía-Pruebas hidráulicas y de retención de contaminantes
• Pruebas finales:-Lavado-Capacidades hidráulicas y de retención de contaminantes-Evolución de las capacidades
Gómez y Rodríguez, 2010
Parámetros de comparación
• Cmodificado= QSmax/QEmax.
• K = T(K)s - T(K)e
Gómez y Rodríguez, 2010
Resultados pruebas iniciales
• Reyes y Torres (2002) � tasa de infiltración 3,12 x 10-4 m/s
• Modelo de pavimento � tasa de infiltración 6,72 x10-4 m/s
• Comportamiento uniforme con las tres pruebas iniciales- Cmodificado Promedio= 0,035 (incertidumbre 6%)-K Promedio=78 s (incertidumbre 14%)
Gómez y Rodríguez, 2010
Hidrograma entrada y salida (pruebas iniciales)
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00
Q (
l/s)
Tiempo (s)
Prueba 1
Prueba 2
Prueba 3
:::
6,00
::::
Gómez y Rodríguez, 2010
Resultados pruebas intermedias
398 mg/L SST 615 mg/L
323 mg/L DQO 333 mg/L
RE
TE
NID
O
Prueba 1 Prueba 2
482 mg/L SST 2273 mg/L
336 mg/L DQO 541 mg/L
PAVIMENTO
38%DQO
73% SST
17% SST
4%DQO
•Prueba 1-Masa vertida: 18,3 g -Tiempo simulado: 2,5 meses.-Cmodificado : 0,024-K: 115 s
•Prueba 2-Masa vertida: 41 g-Tiempo simulado: 6 meses.-Cmodificado : 0,001-K: 640 s
Gómez y Rodríguez, 2010
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 100 200 300 400 500 600
Q (
l/s)
Tiempo (s)
Evolución Capacidad hidráulica
Iniciales 1
Iniciales 2
Iniciales 3
Prueba no.1 (intermedias)
Prueba no.2 (intermedias)
6,00
:::
::::
Gómez y Rodríguez, 2010
Resultados pruebas finales
LAVADO
Gómez y Rodríguez, 2010
Resultados pruebas finales
16 mg/L SST 127 mg/L
74 mg/L DQO 58 mg/L
RE
TE
NID
O
Prueba 1 Prueba 2
SST 191 mg/L
DQO 91 mg/L
PAVIMENTO
36%DQO
33% SST
•Prueba 1-Cmodificado : 0,010K: 18 s-30% Recuperación
•Prueba 2-Cmodificado : 0,009-K: 237 s
Gómez y Rodríguez, 2010
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Q (
l/s)
Tiempo (s)
Hidrograma 1
Hidrograma 2
Hidrograma 3
Lavado
Escorrentía después de lavado
:
:
6,00
:
Comparación nuevo contra lavado
Gómez y Rodríguez, 2010
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
C m
od
ific
ad
o
Tiempo (mes)
Evolución Cmodificado
Lavado
Lineal (Evolución Cmodificado)
Pruebas iniciales
Pruebas
intermedias
Pruebas
intermedias
Prueba
final
2,5 meses
Evolución del parámetro Cmodificado con respecto al tiempo.
Análisis temporal para los diferentes usos del suelo
• Evolución Cmodificado a lo largo del tiempo desimulación hasta colmatación.
• Masas depositadas anualmente por metrocuadrado para los diferentes usos del suelo.
Uso del suelo
Vertimiento en SST
(g/m2/año)
Comercial 112,5
Parqueadero 45
Residencial 47,3
Industrial 96,8
Construcción 675
Tomado de US EPA, 1999 Gómez y Rodríguez, 2010
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
Cm
od
ific
ad
o
Tiempo (mes)
Comercial
Parqueadero
Residencial
Industrial
Construcción
Kra. 7 (Bogotá)
Recuperación Lavado
Cmodificado Vs. Tiempo, para los diferentes usos de suelo urbano
Gómez y Rodríguez, 2010
Eficiencia de retención de contaminantes
Balance de masas
• Masa total vertida � 68 g de SST y 26 g deDQO
• Masa total salida � 30 g de SST y 22 g de DQO
• Se determinó para las condiciones establecidas:55% de retención para SST15% de retención para DQO.
Gómez y Rodríguez, 2010
PROPUESTA DE DISEÑO
• MODELO PROPUESTO:
Alvarado et al., 2010
PROPUESTA DE DISEÑO
• MODELO PROPUESTO:ESPESOR POROSO = 0.1 mLARGO POROSO = 80 mANCHO POROSO= 7 mÁREA POROSO = 560 m2ÁREA POROSO = 0.056 HaÁREA CUENCA = 12800 m2ÁREA CUENCA = 1.28 HaC MEDIO BOGOTÁ = 0.88POROSIDAD N = 0.18DURACIÓN DE LA LLUVIA = 15 MinDURACIÓN DE LA LLUVIA = 900 STASA MEDIA DE INFILTRACIÓN = 0.000312 m/s
Cuenca Poroso
(Q e - Q s) / Q eQ (m3/s) Q (l/s) V=Q*t (m3) VP=VC*n (m3) V - VP (m3)
hSalida =hP-eP (m)
i Salida (m/s) Q Salida (l/s)
0.014 13.5 12.2 10.08 2.1 3.77E-03 4.19E-06 2.1 85%
0.016 16.4 14.8 10.08 4.7 8.44E-03 9.37E-06 4.6 72%
0.019 18.6 16.8 10.08 6.7 1.19E-02 1.33E-05 6.5 65%
0.023 22.9 20.6 10.08 10.6 1.89E-02 2.10E-05 10.3 55%
0.118 118.5 106.6 10.08 96.6 1.72E-01 1.92E-04 94.5 20%
0.287 287.0 258.3 10.08 248.2 4.43E-01 4.92E-04 242.9 15%
3.139 3138.6 2824.7 10.08 2814.7 5.03E+00 5.58E-03 2754.3 12%
17.736 17736.1 15962.5 10.08 15952.4 2.85E+01 3.17E-02 15610.4 12%
Alvarado et al., 2010
EVALUACIÓN ECONÓMICA
Alvarado et al., 2010
EVALUACIÓN ECONÓMICA
Zonas de utilidad del uso de Pavimentos porosos en Bogotá para áreas inferiores a 10 Hectáreas. Azul = Pérdida, Rojo = Utilidad
Alvarado et al., 2010
EVALUACIÓN ECONÓMICA
Alvarado et al., 2010